青海玉樹M7.1地震前地下流體異常分析

萬玉杰，李玉麗，楊曉霞

(青海省地震局，青海 西寧 810001)

0 引 言

2010年4月14日青海省玉樹藏族自治州玉樹市(33.20°N，96.60°E)發(fā)生7.1級地震(以下簡稱玉樹7.1級地震)，其震源深度為14 km，該地震類型為前主余型。陳運(yùn)泰院士研究小組提供的震源機(jī)制解計(jì)算結(jié)果顯示，玉樹7.1級地震的發(fā)震斷層是一條走向119°且近乎直立的左旋走滑斷層。玉樹7.1級地震是繼2008年5月12日汶川8.0級地震后我國大陸再次發(fā)生的7級地震。這次地震未能做出短臨預(yù)測，因此有必要對玉樹7.1級地震前兆異常進(jìn)行梳理總結(jié)。

依據(jù)《中國震例》的統(tǒng)計(jì)，6～7級地震的地球物理異常主要集中在300 km 之內(nèi)，7級以上地震則主要分布在500 km之內(nèi)。玉樹7.1級地震附近是地球物理監(jiān)測能力較弱地區(qū)，震中300 km范圍內(nèi)僅有玉樹地震臺(tái)一個(gè)觀測臺(tái)站，震中300～500 km范圍內(nèi)有德令哈、大武、格爾木及都蘭地震臺(tái)。

一些研究者針對玉樹7.1級地震異常進(jìn)行了研究。如：何案華等[1]針對玉樹地震臺(tái)和德令哈地震臺(tái)井水溫在震前出現(xiàn)的“V”字型異常開展了深入的研究工作；李滔等[2]收集整理了距玉樹7.1級地震震中700 km范圍內(nèi)的13個(gè)觀測井的水溫?cái)?shù)據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在玉樹7.1級地震前6個(gè)月內(nèi)，有10個(gè)觀測井的水溫?cái)?shù)據(jù)出現(xiàn)了月超差個(gè)數(shù)升高現(xiàn)象；孔令昌等[3]對比分析了玉樹7.1級地震前鮮水河斷裂帶上部分溫泉流體的異常特征；楊曉霞等[4]分析了格爾木地震臺(tái)水氡與地震的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)格爾木水氡月均值滑動(dòng)變化率在玉樹7.1級地震前出現(xiàn)了異常。據(jù)統(tǒng)計(jì)在青海境內(nèi)發(fā)現(xiàn)可能與玉樹7.1級地震有關(guān)的地下流體異常共14項(xiàng)。

本文采用小波方法，收集了距玉樹7.1級地震500 km范圍內(nèi)的地下流體資料，分析了這些異常的空間展布、時(shí)間演化以及形態(tài)變化等特征。

1 觀測井概況

玉樹7.1級地震震中周邊500 km范圍內(nèi)，共有流體觀測臺(tái)站5個(gè)，包括水溫、水位、氣氡及水氡4種觀測手段共10個(gè)測項(xiàng)，具體情況和空間分布見表1和圖1。

表1 地下流體監(jiān)測點(diǎn)及測項(xiàng)概況

2 研究方法

3 震前異常情況

本文選取了2009年1月1日～2010年12月31日時(shí)間段內(nèi)，資料連續(xù)可靠、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的8個(gè)測項(xiàng)的數(shù)據(jù)，利用小波分析法進(jìn)行了計(jì)算、對比和分析。發(fā)現(xiàn)有4個(gè)測項(xiàng)第5階的計(jì)算結(jié)果在玉樹7.1級地震前出現(xiàn)明顯的前兆異常，分別為格爾木水氡、德令哈水溫、玉樹水溫和德令哈動(dòng)水位。

3.1 水氡異常

格爾木水氡原始數(shù)據(jù)在玉樹7.1級地震前異常不是很明顯，但經(jīng)過小波分析，2010年1月～2月數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)起伏，超出2倍均方差。約2個(gè)月后，距離測點(diǎn)380 km的玉樹發(fā)生了7.1級地震(圖1)。

圖1 格爾木水氡原始數(shù)據(jù)(a)及小波分析結(jié)果(b)

3.2 水溫異常

3.2.1 德令哈水溫

德令哈水溫原始數(shù)據(jù)2010年4月2日～3日上升0.01 ℃，14日發(fā)生了玉樹7.1級地震(Δ=480 km)。小波分析計(jì)算結(jié)果顯示，2009年8月～10月數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度的起伏變化，超出2倍均方差。約6個(gè)月后，發(fā)生玉樹7.1級地震(圖2)。分析認(rèn)為德令哈水溫原始數(shù)據(jù)短臨異常特征明顯，這種特性對判斷未來地震的發(fā)震時(shí)間有著重要意義。

圖2 德令哈水溫原始數(shù)據(jù)(a)及小波分析結(jié)果(b)

3.2.2 玉樹水溫

玉樹水溫原始數(shù)據(jù)異常非常明顯。2009年11月12日～11月30日，水溫?cái)?shù)據(jù)突然急劇下降，幅度達(dá)0.017 ℃。2010年1月20日～2月3日數(shù)據(jù)又出現(xiàn)了0.029 ℃的快速下降，之后恢復(fù)原來的變化形態(tài)。在恢復(fù)的過程中發(fā)生了玉樹地震7.1級地震。玉樹7.1級地震時(shí)該測項(xiàng)出現(xiàn)了同震下降變化。這是震前一直關(guān)注的一項(xiàng)異常，也是距玉樹7.1級地震震中最近的異常(震中距46 km)[5]。小波分析結(jié)果顯示，2009年10月起數(shù)據(jù)在持續(xù)上升的基礎(chǔ)上出現(xiàn)大幅度的起伏變化，三次明顯的起伏后發(fā)生了玉樹7.1級地震(圖3)。

圖3 玉樹水溫原始數(shù)據(jù)(a)及小波分析結(jié)果(b)

3.3 水位異常

德令哈動(dòng)水位儀架設(shè)于2008年3月26日，通過長時(shí)間的觀測發(fā)現(xiàn)，動(dòng)水位數(shù)據(jù)呈現(xiàn)冬高夏低的特征。從圖4中原始數(shù)據(jù)看出，2009年德令哈動(dòng)水位年變幅度增大。小波分析結(jié)果顯示，2009年10月～2010年2月數(shù)據(jù)超出2倍均方差，出現(xiàn)異常。異常結(jié)束約2個(gè)多月發(fā)生玉樹7.1級地震(圖4)。

圖4 德令哈動(dòng)水位原始數(shù)據(jù)(a)及小波分析結(jié)果(b)

4 異常特征分析

4.1 時(shí)間特征

如表2所示，玉樹7.1級地震前，流體異常出現(xiàn)最早的是德令哈水溫，出現(xiàn)最晚的為格爾木水氡，玉樹水溫在震前6個(gè)月和3個(gè)月均有出現(xiàn)異常。這4項(xiàng)異常以中短期異常為主，無明顯臨震(震前1周)異常。水物理異常早于水化學(xué)異常，震中距大的測點(diǎn)異常結(jié)束到發(fā)震的時(shí)間間隔最短，異常出現(xiàn)的時(shí)間和震中距關(guān)系不成比例。

表2 流體測項(xiàng)異常情況

4.2 空間演化特征

從現(xiàn)有的資料來看，選取的8個(gè)測項(xiàng)中有4個(gè)出現(xiàn)異常，占50%。從異常點(diǎn)的空間展布來看，德令哈動(dòng)水位、水溫井位于青藏高原柴達(dá)木盆地北部邊緣，格爾木水氡井位于柴達(dá)木盆地南緣，玉樹水溫井與玉樹7.1 級地震震中同處于甘孜—玉樹斷裂帶上。

圖5 玉樹7.1級地震前青海地下流體異常展布

5 結(jié)果與討論

(1)本文選取的8個(gè)測項(xiàng)中，有4個(gè)測項(xiàng)出現(xiàn)了異常，占50%。其中水溫異常2 項(xiàng)、水氡異常1項(xiàng)、水位異常1項(xiàng)。異常分布范圍較大，震中距最大達(dá)480 km。異常都發(fā)生在震前8個(gè)月之內(nèi)。

(2)從原始數(shù)據(jù)看，玉樹水溫、德令哈水溫和玉樹水位震前異常明顯。其中德令哈水溫原始數(shù)據(jù)在震前12 天出現(xiàn)快速上升的異常變化，分析認(rèn)為德令哈水溫短臨異常特征明顯，這種特性對利用該井水溫資料來判斷發(fā)震時(shí)間有著重要意義。

(3)從小波分析的結(jié)果來看，有4個(gè)測項(xiàng)在震前出現(xiàn)明顯異常。異常過程與發(fā)震時(shí)間的關(guān)系，為異常開始—異常峰值—異常結(jié)束—恢復(fù)正常后發(fā)震。結(jié)果表明，該方法對不同頻率的信息識(shí)別功能較強(qiáng)，有助于將數(shù)據(jù)的趨勢變化和局部變化分離，能夠有效地識(shí)別與消除干擾因素，提取短期異常，是地震前兆數(shù)據(jù)處理的一種有效方法。

(4)地下流體震前異常的成因問題，多數(shù)地震學(xué)家認(rèn)為這種異常來自震源。然而，有學(xué)者通過研究得出地下流體中短期異常主體不是來自震源，而是來自區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的觀點(diǎn)[6]。這些都需要更多的震例進(jìn)行進(jìn)一步的研究。